刘爱荣

（杭州一牙数字口腔有限公司，杭州 310013）

1 引言

为了满足客户对提高汽车制动系统性能和降低成本的要求，在原有产品的基础上提出了轻量化制动钳的开发计划。轻量化的制动钳可以减轻汽车悬架系统的重量，提高汽车的燃油经济性。但制动钳还必须满足刚度要求，变形过大时，司机觉得刹车踏板太软，这会影响驾驶员的刹车踏板感觉。本文采用OpthStrut优化软件对制动钳壳体进行拓扑优化。通过拓扑优化，可以根据产品的性能要求，在指定的设计空间内快速准确地进行产品设计。改善结构性能、减轻产品质量。

2 制动钳结构优化

本文研究对象是某车型盘式浮动钳双缸制动器。它由制动盘、托架、制动卡钳、内外摩擦片、活塞等组成，如图1所示。制动器的支架通过螺栓固定在转向节上，夹紧体通过制动器的导销固定在径向上，轴向可沿导销滑动。制动时，制动液推动活塞使内侧磨擦片外移，与制动盘接触，同时，制动钳在制动液压力作用下沿导向销滑动，推动外摩擦片与制动盘之间的摩擦，在内外摩擦板的夹紧力下产生制动力矩，使汽车减速。因此可见，制动钳在工作过程中主要承受制动液制动压力以及外磨擦片施加的接触压力，在这两个载荷作用下，制动钳在活塞轴线方向上将会产生扩张变形[1][5]。

图1 盘式制动器结构

图2 制动钳原型设计

图3 优化后的模型

在优化设计前，制动钳原型重量为4264g，制动钳在工作压力10MPa作用下的变形量为0.211mm，整个模型的VonMises应力为252MPa。模型如图2 所示。

在OpTyStRT软件中，根据制动钳工作状态定义载荷和边界条件，并对目标进行优化。是质量最轻，优化约束是钳体轴线方向变形小于0.25mm，优化参数为钳体的实体单元密度。经过OptiStruct优化后的模型如图3所示，图中蓝色区域表示可以去除材料。

在优化模型的基础上，对制动钳模型进行重建，得到新的CAD 模型如图4 所示，重量为3976g，减轻288g。利用ANSYS软件对新模型进行FEA 强度刚度校核，得制动钳的轴向变形为0.247mm，VonMises应力为272MPa，如图5 所示，低于QT450材料的屈服应力。由此可见，该模型符合刚度和强度要求。

图4 制动钳产品模型

图5 VonMises应力

3 结束语

本文利用OptiStruct 软件对制动钳模型进行拓扑优化，在保证制动钳刚度不受影响的前提下，优化后的制动钳与样机相比重量减轻了28 8g，节省了材料6.8%，降低了产品成本。通过优化结构材料的布局，可以在不改变原有模型的基础上获得理想的形状。这样轻量化的同时不会造成制造成本的增加，符合制造经济性的要求。